第一节大气的组成

第一节大气的组成从人造卫星上观察地球大气，呈浅蓝色且透明。自地球形成以来，在46亿年的漫长而又曲折的演化过程中，大气的成分和结构有了很大的变化。它经历了原始大气、还原大气和氧化大气（现代大气）这三个阶段，目前以N2、O2为主要成分的大气已经是第三代了。大气是人类赖以生存和发展的主要自然环境条件之一，人类对环境的依赖程度之大，莫过于大气。离开食物，人可以存活5周，离开水，人可以存活5天，没有空气，人仅仅能存活5分钟。可见大气与人类的关系是多么密切。一、干洁大气（一）干洁大气的概念通常把不包括水汽的纯净的大气称为干洁大气，简称干空气。（二）干洁大气的组成它的主要成分是氮和氧，约占干洁空气体积的99%（其中O2占20.95%、N2占78.08%、Ar占0.93%、CO2占0.03%），合计约占干洁空气体积的99.99%（表1）。其他稀有气体如Ne、He、Xe、H2、O3等的总和仅占0.01%。干洁大气以N2、O2、CO2、O3最为重要，与地球生物圈的关系最为密切。表1干洁大气组成情况气体成分容积百分数（%）质量百分数（%）分子量N278.0875.5228.013O220.9523.1531.999Ar0.931.2839.948CO20.030.0544.010二、温室气体和温室效应（一）温室气体（GreenhouseGases）的定义1972年在瑞典首都斯德哥尔摩召开了第一次人类环境会议。事隔20年之后的1992年在巴西里约热内卢召开了世界与环境发展大会。在本次大会上，发表了《里约宣言》、《联合国气候变化框架公约》、《保护生物多样性公约》和《关于森林问题的原则声明》。在《联合国气候变化框架公约》中，明确了温室气体的定义和组成。《联合国气候变化框架公约》中把温室气体定义为：“大气中能够吸收和重新放出红外辐射的自然的和人为的气体”。主要包括CO2、CH4、N2O、O3和CFCS（氟氯烃）等。前几种气体可以自然形成，也可以人为释放。CFCS则是人类工业活动的产物。（二）温室气体的组成概况1、二氧化碳（CO2）二氧化碳是最重要的温室气体，目前占大气体积的0.04%。但这个比例也是随时间在不断变化的。据推测，还原大气阶段，大气中二氧化碳浓度是现在浓度的十余倍。后来大部分被海洋吸收。绿色植物出现后，通过光合作用吸收部分二氧化碳放出氧气，于是大气中的二氧化碳浓度逐步减少，最终达到稳定。目前的年增长量已经达到1-1.5ppm，年增长率达0.4%，是历史上的最大值。2、甲烷（CH4）大气中的甲烷正以比CO2更快的速度增长，其年增长率接近1%，为工业革命前增长速度的202倍。甲烷（CH4）的残留期为10年左右，主要释放源为沼泽地、水稻田、反刍动物（消化过程）与天然气燃烧。不容置疑的是，CH4增温效应要比CO2强20-30倍，且随温度的升高，释放强度增大。3、一氧化二氮（N2O）也称氧化亚氮。N2O的释放源包括自然（海洋）和人为（化石燃料和生物物质燃烧、农用肥料）两个方面。工业化以前的浓度为0.29ppmv（ppmv＝partspermillionbyvolume），1990年达0.31ppmv。目前，N2O的年增长率约为0.25%。尽管它的浓度很低，但它的存留期可达150年，其分子的温室效应为CO2的250倍。4、氟里昂类物质（CFCS）又名氟氯烃，主要来自工业生产，CFCS尽管目前浓度很低（280-484pptv，1pptv＝0.000001ppmv；pptv＝partspertrillonbyvolume），但年增长率却是CO2的8倍。它自身有强烈的温室效应，约为CO2的1.7-2万倍（IPCCWORKGROUPⅠ，1990）。同时，CFCS还是破坏大气臭氧层的元凶。表2温室气体的来源、年增长率、存留期和温室效应温室气体名称来源年增长率存留期温室效应CO2燃料的燃烧有机物的腐烂分解生物呼吸0.4%－－CH4沼泽地、水稻田、反刍动物（消化过程）与天然气燃烧1%10年左右CO2的20-30倍N2O（氧化亚氮或一氧化二氮）自然（海洋）人为（化石燃料和生物物质燃烧、农用肥料）0.25%150年CO2的250倍CFCS（氟里昂类物质）工业生产CO2的8倍－CO2的1.7-2万倍5、臭氧（O3）（1）臭氧的形成氧分子在太阳紫外线作用下分解为氧原子，然后又与氧分子化合而成。（2）臭氧的分布它在大气中的含量极少，分布也极不均匀。从10Km高度开始增加，在20-30Km高度处达到最大值，再往上含量逐渐减少，到55-60Km高度上就极少了。（3）臭氧的作用臭氧能大量吸收紫外线，使臭氧层增暖。大气臭氧层在标准大气状况下仅为3mm厚，象一把巨大的保护伞，屏蔽着太阳辐射中有害的紫外线，保护着地球上人类与所有生物的生存和世代繁衍。臭氧是1839年首先在实验室被发现的，随后，臭氧被证明能强烈吸收紫外线辐射。科学家经过多年的研究，证实大气平流层中的氯并非天然生成，而是人类通过生产和生活中产生的含绿化合物向大气输送氯原子，通过光化学反应加剧了臭氧消亡过程的速度。（4）破坏臭氧的物质如今，人们知道破坏臭氧层的主要罪魁祸首氟氯碳，自30年代面世以来被广泛用作冰箱、冷冻机、空调等制冷设备中的制冷剂，聚氨酯泡沫和聚乙烯/聚苯乙烯泡沫中的发泡剂，气雾剂制品中的推进剂，电子线路板、精密金属零部件等的清洗剂，烟丝的膨胀剂等。另一主要罪魁祸首哈龙则主要用作灭火系统或手提灭火器中的灭火剂。据测定，每一个氯原子可以破坏成千上万个臭氧分子。迄今，此类化学物质在大气中的含量已达2000万吨。（然而人类工业活动排放的许多化学物质，尤其是空调制冷、塑料发泡、电子器件清洗、致雾剂以及消防器材中氟里昂广泛使用，对大气臭氧层有巨大的破坏作用。）（5）国际保护臭氧层日1985年，世界一些国家在奥地利签署了《保护臭氧层维也纳公约》。1987年在加拿大蒙特利尔签定了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，决定限制氟氯烃的生产和使用。这个《议定书》和1991年的伦敦修正案、1992年的哥本哈根修正案一起，要求各国2000年全面禁止使用氟氯烃。目前，《议定书》缔约方已达168个。1994年第52届联合国大会还把《议定书》签字日（9月16日）定为“国际保护臭氧层日”（InternationalOzoneLayerProtectionDay）。1998年的活动主题是“为了地球上的生命，请购买有益臭氧层的产品”。1999年活动主题为“拯救我们的蓝天，请爱护臭氧层”。爱护臭氧层，就是要求我们每个人采取实际行动来减少和消除所购买的产品（含公司采用的生产公艺）对大气臭氧层的破坏。联合国环境署倡议社会公众采取如下一些有助于保护臭氧层的行为：做一名爱护臭氧层的消费者。请你购买带有“爱护臭氧层”或“无氟氯化碳”标志的产品（如气雾剂罐、冰箱、灭火器等）。做一名爱护臭氧层的一家之主。请合理地处理废旧冰箱和电器，在废弃电器之前，应该去除其中的氟氯化碳和氟氯烃制冷剂，而那些不在需要的手提式哈龙灭火器应交还消防部门统一处理。做一名爱护臭氧层的农民。请你考虑替代方案而不在使用甲基溴这类化学防治病虫害药剂。做一名爱护臭氧层的教师。告诉学生那些物质对大气臭氧层有破坏性影响以及爱护臭氧层的重要性，并普及这些知识。做一名爱护臭氧层的职工。制冷维修技师应确保维修期间回收的制冷剂不释放到大气中去，妥善解决泄露问题。办公室员工应帮助单位鉴定现有设备和购买的设备中是否有使用消耗臭氧层的物质，并制定替换方案。我国于1991年成立了国家保护臭氧层领导小组，负责实施《议定书》。1993年国务院批准《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案》。目前我国已经实施了20多项有关保护臭氧层的政策，从而将我国保护臭氧层工作纳入规范化管理。2000年的活动主题为：“拯救我们的天空：保护你自己；保护臭氧层”。2004年活动主题为：“拯救蓝天，保护臭氧层：善待我们共同拥有的星球”。2005年活动主题为：“善待臭氧，安享阳光”。2006年的主题是：“保护臭氧层，拯救地球生命“。2007年保护臭氧层日的主题为：“2007，颂扬卓有成效的20年”。2008年的主题是：“《蒙特利尔议定书》—国际合作保护全球利益”。2009年的主题是共同参与：“团结一致保护臭氧层”。2010年的主题是：“保护臭氧层：治理与遵守的最佳典范”。2010年9月16日是第16个国际保护臭氧层日。2011年的主题是：“淘汰氟氯烃，绝佳机会”。（6）破坏臭氧层的危害大气臭氧层总量的减少可使人类皮肤癌、白内障患者增加，人体的免疫力下降，农作物产量减少和质量下降，陆地和浅海中的生物生长受到影响，发生变异，危及人类及所有地表生态体系。此外，臭氧还是一种具有红外辐射活性的温室气体，它的变化必将影响到全球气候变化，最终将对人类的生存环境造成巨大影响。随着以CO2为主体的温室气体浓度的增加，温室效应加剧，全球气候呈变暖趋势（globalwarming）。许多科学家警告说，若不采取措施，到2050年地表平均温度将上升1℃，到下世纪末升高3℃，可能导致下世纪末海平面上升60厘米—100厘米，从而对全球沿海城市和数十个小岛造成严重威胁。（三）温室效应（GreenhouseEffect）也称为花房效应。大气通过对辐射的选择吸收而防止地表热能耗散的效应。在晴空地区，大部分太阳短波辐射可以透过大气而被地表吸收，但地表发射的大部分长波辐射却被大气吸收，而又有一部分以长波辐射的形式发射回地面。这样，由于大气的存在，地表的辐射平衡温度将比它不存在时的辐射平衡温度高得多。大气的这种向下增强辐射的作用与温室玻璃物顶和四壁的作用有相似之处，故称为温室效应。二、水汽（一）大气中水汽的来源大气中的水汽主要来源于江、河、湖、海等的水面蒸发，潮湿陆地和物体表面蒸发以及植物的蒸腾。大气中的水汽含量极少，但它是天气变化最复杂的角色。因为在常温常压下，水的三种状态（固态、液态、气态）可以相互转变。在同温同压下湿空气比干空气轻。（二）大气中水汽的时空分布空气中的水汽含量有明显的时空变化，一般情况是夏季多于冬季。低纬暖水洋面和森林地区的低空水汽含量最大，按体积来说可占大气的4％，而在高纬寒冷干燥的陆面上、其含量则极少，可低于0.01％。从垂直方向而言，空气中的水汽含量随高度的增加而减少。观测证明，在1.5~2km高度上，空气中的水汽含量已减少为地面的一半；在5km高度，减少为地面的1/10；再向上含量就更少了。（三）大气中水汽的作用大气中水汽含量虽不多，但它是大气变化中的一个重要角色。在大气温度变化的范围内，它可以凝结或凝华为水滴或冰晶，成云致雨，落雪降雹，成为淡水的主要来源。水的相变和水分循环不仅把大气圈、海洋、陆地和生物圈紧密地联系在一起，而且对大气运动的能量转换和变化，以及对地面和大气温度都有重要的影响。三、固体杂质和液体微粒（气溶胶粒子）（一）固体杂质和液体微粒的概念1、固体杂质：悬浮在大气中的烟粒、盐粒、微生物、尘埃等等。2、液体微粒：悬浮在大气中的水滴、过冷却水滴、冰晶等水汽凝结物。（二）固体杂质和液体微粒的作用大气中的固体杂质和液体微粒使大气的能见度变坏，但可充当水汽凝结核，对云、雨的形成起着重要的作用；同时它们能吸收一部分太阳辐射和阻挡地面放热，对地面和空气温度有一定的影响。大气中除上述正常所含有的成分外，由于人类活动向大气中排放的废气和粉尘等有害物质，使空气中增加了新的成分，不断地污染着大气。四、空气污染（AirPollution）（一）空气污染的定义由于人类活动或自然过程排放到大气中的一次污染物或由它转化的二次污染物的浓度及持续时间足以对人的舒适感、健康或对大气环流产生不利影响的现象。来自于《大气科学词典》。大气中污染物或由它转化成的二次污染物浓度达到了有害程度的现象，称为大气污染（AtmosphericPollution）。来源于《中国大百科全书—环境科学》。（二）空气污染指数（API）为了方便群众，环保部门在发布环境空气质量状况的时候，把空气质量浓度转化为“空气污染指数（API）”这一指标。这一指标采用“打分法”来表示，分数越低，空